JP4268452B2 - 燃料改質装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素又はアルコールを含む改質用燃料を改質することにより、水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜(陽イオン交換膜)からなる固体高分子電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を備え、この電解質膜・電極構造体をセパレータにより挟持して単位セルを構成している。通常、複数の単位セルを積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用等の種々の用途に採用されている。
【0003】
この単位セルにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス(以下、水素含有ガスともいう)は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
【0004】
そこで、一般的に、メタノールやLNG等の化石燃料等の炭化水素燃料から改質原料ガスを生成し、この改質原料ガスに水蒸気改質や部分酸化改質、オートサーマル改質等を施して改質ガス(水素含有ガス)を生成した後、この改質ガスを燃料電池スタックに供給する方式が採用されている。
【0005】
例えば、特許文献1に開示されている燃料改質装置は、図8に示すように、下方から上方に向かって、燃焼部1と気化部2と改質・変成部3と酸化除去部4とが一体的に連設して構成されている。燃焼部1は、例えば、液体メタノールを燃料として熱源ガスを発生するものであり、気化部2は、改質原料、例えば、液体メタノールと水との混合液体原料を前記燃焼部1からの熱源ガスによって加熱気化させることにより、改質原料ガスを生成する。
【0006】
改質・変成部3は、燃焼部1からの熱源ガスで加熱された改質触媒によって、気化部2からの改質原料ガスを、水素を主成分とする改質ガスに変換するとともに、その改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる。酸化除去部4は、改質・変成部3からの改質ガス中の一酸化炭素濃度を、一酸化炭素選択酸化触媒によって酸化除去させて改質ガスを生成し、この改質ガスを図示しない燃料電池に供給する。
【0007】
上記の特許文献1では、燃焼部1の上部に気化部2、改質・変成部3及び酸化除去部4が一体的に連設されるため、燃料改質装置全体として占有床面積が大幅に削減され、容易に小型化を図ることができる、としている。
【0008】
【特許文献1】
特開平7−126001号公報(段落[0022]〜[0026]、図1)
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の燃料改質装置では、起動時や停止時等において、それぞれの触媒温度が低下している。このため、反応により発生した水蒸気は、触媒表面や配管内に凝縮し易く、下方に配置されている燃焼部1内で凝縮水が滞留してしまう。特に、起動時には、暖機に要するエネルギの一部が燃焼部1内に残留する凝縮水の気化熱として消費され、燃料改質装置の起動時間が長くなるとともに、効率が低下するという問題がある。
【0010】
しかも、起動時に燃料改質装置内に凝縮水が存在していると、この燃料改質装置内に存在している気体(例えば、HCやCO2)が前記凝縮水に溶存し易い。この溶存気体は、起動時に未燃のまま気化部2に送られて改質原料に混在してしまい、安定化した改質原料ガスを生成するまでに相当な時間がかかるという問題がある。一方、停止時に燃料改質装置内に凝縮水が残存していると、この凝縮水に、例えば、二酸化炭素や炭化水素が溶存してしまい、前記燃料改質装置を構成する金属部品の腐食の原因となり易い。
【0011】
さらにまた、特許文献1では、最高温部である気化部2が下方に配置されて、この気化部2上に改質・変成部3及び酸化除去部4が積層されている。このため、起動時において、気化部2で発生する水蒸気が上昇すると、この水蒸気は改質・変成部3や酸化除去部4で冷却されて液状化し、前記気化部2に滴下してしまう。その際、相当に高温の気化部2に液状水が接触することにより、前記気化部2に損傷を与えるおそれがある。さらに、水蒸気として上昇した水分が液化して再度気化部2で加熱されるため、この液状水の気化に熱が奪われてしまい、効率的ではないという問題がある。
【0012】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、凝縮水を容易且つ確実に除去することができ、水素リッチな燃料ガスを効率的に生成することが可能な燃料改質装置を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1に係る燃料改質装置では、改質用燃料を改質して改質ガスを生成する改質機構と、前記改質ガスを冷却する熱交換機構と、前記改質ガスに含まれる水分を除去するための気液分離機構と、前記改質機構、前記熱交換機構及び前記気液分離機構の順に、上方から下方に向かって一列に収容するケーシングとを備えている。そして、ケーシングの改質機構から気液分離機構に連なる内壁部は、鉛直方向に、又は水平方向から傾斜する方向に、連続的に延在することにより、液溜まりを阻止している。
【0014】
このため、燃料改質装置内で凝縮する水分は、重力によって下方に、すなわち、最下位の気液分離機構に移動して、この気液分離機構により確実に捕集される。従って、熱交換機構や改質機構に凝縮水が残存することがなく、例えば、凝縮水にHCやCO2が溶存することによる金属部品の腐食を抑制することができる。
【0015】
しかも、起動時に凝縮水が残存しないため、この凝縮水を気化させる気化熱が不要になり、起動エネルギが低減されて効率的な暖機が遂行可能になる。さらに、凝縮水に気体が溶存することがないため、起動時に改質ガスの組成安定化が短時間で行われる。
【0016】
また、燃料改質装置内では、最も高温となる改質機構が最上位に配置されている。これにより、起動時に燃料改質装置内に水蒸気が発生しても、この水蒸気が前記燃料改質装置内を上昇して冷却されることがない。このため、水蒸気が液化して高温部に接触することがなく、この高温部の損傷を回避するとともに、凝縮水を再度加熱することによる熱損失を防止することが可能になる。従って、簡単な構成で、凝縮水を容易且つ確実に除去することができ、水素リッチな燃料ガスを効率的に生成することが可能になる。
【0017】
さらにまた、本発明の請求項2に係る燃料改質装置では、改質機構と気液分離機構との間には、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させるための変成機構、又は前記改質ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化除去するための一酸化炭素選択酸化機構の少なくとも一方が配設されている。これにより、最も高温となる改質機構が最上位に配置され、凝縮水を容易且つ確実に除去することができるとともに、水素リッチな燃料ガスを効率的に生成することが可能になる。
【0019】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料改質装置10の概略構成図である。
【0020】
燃料改質装置10は、例えば、メタン等の炭化水素やアルコール等を含む改質用燃料を改質することにより水素リッチな燃料ガスを生成して、前記燃料ガスを燃料電池(図示せず)に供給する。この燃料改質装置10は、改質用燃料を改質して改質ガスを生成する改質機構12と、前記改質ガスを冷却する熱交換機構14と、前記改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させるための変成機構16と、前記改質ガスに含まれる水分を除去するための気液分離機構18とを備える。
【0021】
燃料改質装置10のケーシング20は、全体として縦長の円筒形状に構成されるとともに、前記ケーシング20内には、上方から下方に向かって、改質機構12、熱交換機構14、変成機構16及び気液分離機構18が一列に配設される。ケーシング20の上部には、蒸発機構22及び始動燃焼機構24が装着される。
【0022】
蒸発機構22には、水供給管26、燃料供給管28及び空気供給管30が接続されており、前記蒸発機構22は、水を蒸発させて水蒸気を発生させるとともに、この水蒸気と改質用燃料及び空気とを供給配管32を介して改質機構12に供給する。始動燃焼機構24には、燃料供給管34と空気供給管36とが接続されており、始動時にのみ燃焼エアを改質機構12に供給する。
【0023】
改質機構12は、図2に示すように、波板状の改質触媒40を渦巻き状に巻回し、いわゆる、ハニカム形状に構成して容器42に収容している。変成機構16は、上記の改質機構12と同様に構成されるとともに、図1に示すように、この変成機構16を構成する容器43には、水供給管45が接続される。燃料改質装置10には、必要に応じて図示しない一酸化炭素選択酸化機構(PROX)を組み込むことができ、この一酸化炭素選択酸化機構も、上記の改質機構12と同様に構成される。
【0024】
熱交換機構14は、図1に示すように、改質機構12から変成機構16に延在する複数の配管44を備え、この配管44が容器46内に配置される。改質ガスは、配管44内を下方に向かって移動するとともに、この配管44の周囲には、熱交換室48が設けられる。熱交換室48には、冷却媒体供給管50aと冷却媒体排出管50bとが連通する。
【0025】
気液分離機構18は、容器52内に凝縮水貯留部54を備え、この凝縮水貯留部54の下部には、ドレン管56が取り付けられる。容器52の側部には、改質ガス(水素リッチな燃料ガス)を図示しない燃料電池に供給するための改質ガス供給管58が設けられる。
【0026】
改質機構12、熱交換機構14、変成機構16及び気液分離機構18の各連結部位には、例えば、圧損を発生させる等の必要に応じて、仕切り板60を介装してもよい。各容器42、46、43及び52によりケーシング20が構成されるとともに、前記ケーシング20は、鉛直方向に向かって連続的に延在して構成される。
【0027】
このように構成される燃料改質装置10の動作について、以下に説明する。
【0028】
先ず、燃料改質装置10を始動する際には、始動燃焼機構24を駆動して燃焼エアを改質機構12に供給する。そして、改質機構12内の改質触媒40が所定の温度まで昇温した後、蒸発機構22を駆動する一方、始動燃焼機構24が停止する。蒸発機構22には、水供給管26、燃料供給管28及び空気供給管30からそれぞれ水、メタン等を含む改質用燃料及び空気が供給され、改質機構12には、供給配管32を介して水蒸気が混在した前記改質用燃料及び前記空気が供給される。
【0029】
この改質機構12では、改質用燃料中のメタン、空気中の酸素及び水蒸気によって、酸化反応であるCH4+2O2→CO2+2H2O(発熱反応)と、燃料改質反応であるCH4+2H2O→CO2+4H2(吸熱反応)とが同時に行われる。このため、二酸化炭素と水素とを含む改質ガスが生成され、この改質ガスは、熱交換機構14を構成する複数の配管44内に供給される。
【0030】
この熱交換機構14では、冷却媒体供給管50aを介して熱交換室48に冷却媒体が導入され、各配管44内を鉛直下方向に移動する改質ガスとの間で熱交換が行われる。従って、配管44内の改質ガスが冷却される一方、熱交換室48に導入された冷却媒体が昇温し、この冷却媒体は冷却媒体排出管50bから排出される。熱交換機構14によって冷却された改質ガスは、変成機構16に送られる。この変成機構16では、改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定値まで低減される。
【0031】
さらに、改質ガスは、気液分離機構18に送られ、この改質ガス中に混在する水蒸気が凝縮される。このため、凝縮水が凝縮水貯留部54に貯留される一方、改質ガスは改質ガス供給管58を介して図示しない燃料電池に供給される。
【0032】
この場合、第1の実施形態では、ケーシング20内に、上方から下方に向かって改質機構12、熱交換機構14、変成機構16及び気液分離機構18が一列に配設されている。このため、燃料改質装置10内で凝縮する水分は、重力によって下方に、すなわち、最下位の気液分離機構18に移動し、この気液分離機構18を構成する凝縮水貯留部54により確実に捕集される。従って、熱交換機構14や改質機構12に凝縮水が存在することがなく、例えば、この凝縮水に二酸化炭素や炭化水素等が溶存して金属部品の腐食が発生することを有効に阻止することができる。
【0033】
しかも、起動時において、燃料改質装置10内に凝縮水が存在しないため、この凝縮水を気化させる気化熱が不要になる。これにより、燃料改質装置10の起動エネルギが低減され、前記燃料改質装置10を効率的に暖機することが可能になるという効果が得られる。
【0034】
さらに、凝縮水に二酸化炭素や炭化水素等の気体が溶存することがない。従って、起動時において、溶存気体は未燃のまま改質ガス中に混在することがなく、この改質ガスの組成安定化が短時間で良好に行われるという利点がある。
【0035】
さらにまた、燃料改質装置10内では、最も高温となる改質機構12が最上位に配置され、この改質機構12の下方に熱交換機構14、変成機構16及び気液分離機構18が配置されている。このため、起動時には、先ず、改質機構12が昇温され、この改質機構12内に水蒸気が発生しても、この水蒸気が前記燃料改質装置10内を上昇して冷却されることはない。
【0036】
これにより、燃料改質装置10内では、水蒸気が液化して高温部である改質機構12に接触することがなく、この改質機構12の損傷を回避するとともに、凝縮水を再度加熱することによる熱損失を確実に防止することが可能になる。従って、簡単な構成で、凝縮水を容易且つ確実に除去することができ、水素リッチな燃料ガスを効率的に生成することが可能になる。
【0037】
さらに、改質機構12、熱交換機構14、変成機構16及び気液分離機構18を上方から下方に向かって一列に配設するケーシング20は、鉛直方向に向かって連続的に延在している。このため、ケーシング20の内壁部は、鉛直方向に向かって連続的に延在し、この内壁部に液溜まりが発生することはない。これにより、凝縮水は、ケーシング20の内壁部に沿って気液分離機構18に円滑に移動し、この凝縮水が前記内壁部に残存することを可及的に阻止することが可能になる。
【0038】
図3は、本発明の第2の実施形態に係る燃料改質装置80の要部斜視説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料改質装置10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第3〜第6の実施形態においても、同様にその詳細な説明は省略する。
【0039】
燃料改質装置80のケーシング82は、全体として縦長の角筒形状に形成されるとともに、前記ケーシング82内には、上方から下方に向かって改質機構84、熱交換機構14、変成機構16及び気液分離機構18が一列に配設される。改質機構84は、波板状の複数の改質触媒86を備え、前記改質触媒86が矩形状の容器88内に配列して構成される。変成機構16は、上記の改質機構84と同様に構成してもよい。
【0040】
第2の実施形態では、全体として縦長の角筒形状に構成されるケーシング82を採用しているものの、第1の実施形態に係る燃料改質装置10と同様の効果が得られる。
【0041】
図4は、本発明の第3の実施形態に係る燃料改質装置100の概略構成図である。
【0042】
燃料改質装置100は、上方から下方に向かって、改質機構12、熱交換機構14、変成機構102及び気液分離機構18が、一列に配設される。変成機構102は、屈曲する容器104を備え、この容器104が矢印A方向にオフセットすることにより、前記容器104の一方の側部には、スペース106が形成される。このスペース106には、障害物、例えば、エアコンプレッサやポンプ等が配置され、燃料改質装置100を狭小なスペース内に良好に配置することが可能になる。
【0043】
容器104は、熱交換機構14との連結部分に水平方向から傾斜する傾斜壁面104a、104bと、気液分離機構18との連結部分に水平方向から傾斜する傾斜壁面104c、104dとを備えている。このため、容器104内には、水平方向に延在する部分、すなわち、液溜まり部分が発生することがなく、凝縮水が前記容器104内に残存することを確実に阻止することが可能になる。
【0044】
図5は、本発明の第4の実施形態に係る燃料改質装置120の要部斜視説明図である。
【0045】
燃料改質装置120は、改質機構122、熱交換機構124、変成機構16及び気液分離機構18を、上方から下方に向かって一列に配設する。改質機構122は、容器126内に複数の金属触媒ペレット128を収容しており、この金属触媒ペレット128は、金属触媒をプレスによって円板状乃至円柱状に構成される。容器126の底部には、例えば、ステンレス製のメッシュ板129が配設される。
【0046】
熱交換機構124は、容器130内に水平方向に延在する複数の配管132を備え、この配管132に冷却媒体供給管134a及び冷却媒体排出管134bが接続される。容器130内には、熱交換室136が設けられ、この熱交換室136には、改質機構122から改質ガスが供給される。
【0047】
このように構成される第4の実施形態では、改質機構122が複数の金属触媒ペレット128を容器126内に収容しており、この改質機構122を経済的に製造することができる。また、熱交換機構124では、複数の配管132内に冷却媒体が供給され、容器130の熱交換室136に供給される改質ガスと熱交換を行うことにより、この改質ガスを冷却しており、前述した熱交換機構14と同様の機能を有している。
【0048】
図6は、本発明の第5の実施形態に係る燃料改質装置140の概略構成図である。
【0049】
燃料改質装置140を構成する熱交換機構142は、容器144内に配設される複数の流路部材146を備える。流路部材146は、板材を折曲して構成されるとともに、改質機構12側に突出する傾斜端部148を有し、各流路部材146内には、冷却媒体流路150が形成される。容器144内には、各流路部材146の間に熱交換室152が設けられる。
【0050】
このように構成される第5の実施形態では、改質機構12により生成された改質ガスは、各流路部材146の上端に設けられている傾斜端部148の傾斜に沿って熱交換室152に送られ、この熱交換室152を前記流路部材146の外表面に沿って変成機構16側に移動する。
【0051】
その際、各流路部材146内に形成される冷却媒体流路150には、冷却媒体が供給されており、この冷却媒体と改質ガスとの間で熱交換が行われる。このため、改質ガスは所定の温度に冷却された後、変成機構16に供給される。
【0052】
図7は、本発明の第6の実施形態に係る燃料改質装置160の概略構成図である。
【0053】
燃料改質装置160は、上方から下方に向かって、改質機構12、変成機構16、熱交換機構14、一酸化炭素選択酸化機構162及び気液分離機構18が一列に配設される。一酸化炭素選択酸化機構162は、改質機構12又は変成機構16の少なくとも一方と同一に構成されており、改質ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化除去する機能を有する。
【0054】
【発明の効果】
本発明に係る燃料改質装置では、気液分離機構の上方に熱交換機構が配置されるとともに、前記熱交換機構の上方に改質機構が配置されるため、燃料改質装置内で凝縮する水分は、重力によって下方に、すなわち、最下位の気液分離機構に移動して、この気液分離機構により確実に捕集される。従って、熱交換機構や改質機構に凝縮水が残存することがなく、例えば、凝縮水にHCやCO2が溶存することによる金属部品の腐食を抑制することができる。
【0055】
しかも、起動時において、凝縮水が存在しないため、この凝縮水を気化させる気化熱が不要になり、起動エネルギが低減されて効率的な暖機が遂行可能になる。さらに、凝縮水に気体が溶存することがないため、起動時に改質ガスの組成安定化が短時間で行われる。
【0056】
さらにまた、燃料改質装置内では、最も高温となる改質機構が最上位に配置されている。これにより、起動時に燃料改質装置内に水蒸気が発生しても、この水蒸気が前記燃料改質装置内を上昇して冷却されることがない。このため、水蒸気が液化して高温部に接触することがなく、この高温部の損傷を回避するとともに、凝縮水を再度加熱することによる熱損失を防止することが可能になる。従って、簡単な構成で、凝縮水を容易且つ確実に除去することができ、水素リッチな燃料ガスを効率的に生成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る燃料改質装置の概略構成図である。
【図2】前記燃料改質装置を構成する改質機構の分解斜視説明図である。
【図3】本発明の第2の実施形態に係る燃料改質装置の要部斜視説明図である。
【図4】本発明の第3の実施形態に係る燃料改質装置の概略構成図である。
【図5】本発明の第4の実施形態に係る燃料改質装置の要部斜視説明図である。
【図6】本発明の第5の実施形態に係る燃料改質装置の概略構成図である。
【図7】本発明の第6の実施形態に係る燃料改質装置の概略構成図である。
【図8】特許文献1の燃料改質装置の概略斜視説明図である。
【符号の説明】
10、80、100、120、140、160…燃料改質装置
12、84、122…改質機構 14、124、142…熱交換機構
16、102…変性機構 18…気液分離機構
20、82…ケーシング 22…蒸発機構
24…始動燃焼機構 40、86…改質触媒
42、43、46、52、88、104、126、130、144…容器
44、132…配管 48、136、152…熱交換室
54…凝縮水貯留部 56…ドレン管
58…改質ガス供給管 60…仕切り板
128…金属触媒ペレット 146…流路部材
150…冷却媒体流路 162…一酸化炭素選択酸化機構
Claims (2)
- 炭化水素又はアルコールを含む改質用燃料を改質することにより、水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質装置であって、
前記改質用燃料を改質して改質ガスを生成する改質機構と、
前記改質ガスを冷却する熱交換機構と、
前記改質ガスに含まれる水分を除去するための気液分離機構と、
前記改質機構、前記熱交換機構及び前記気液分離機構の順に、上方から下方に向かって一列に収容するケーシングと、
を備え、
前記ケーシングの前記改質機構から前記気液分離機構に連なる内壁部は、鉛直方向に、又は水平方向から傾斜する方向に、連続的に延在することにより、液溜まりを阻止することを特徴とする燃料改質装置。 - 請求項1記載の燃料改質装置において、前記改質機構と前記気液分離機構との間には、前記改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させるための変成機構、又は該改質ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化除去するための一酸化炭素選択酸化機構の少なくとも一方が配設されることを特徴とする燃料改質装置。
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